Mikrovågsstrålning ( mikrovågor ) är en del av spektrumet av elektromagnetisk strålning med våglängder från 1 m till 1 mm, motsvarande frekvenser från 300 MHz respektive upp till 300 GHz [1] [2] [3] [4] [5 ] . Olika källor använder olika frekvensområden för mikrovågor; ovanstående breda definition inkluderar banden UHF (decimetervåg), mikrovågsvåg (centimetervåg) och EHF (millimetervåg). En vanligare definition inom radioteknik är intervallet från 1 till 100 GHz (våglängder från 0,3 m till 3 mm). Mikrovågsfrekvenser hänvisas ofta till med IEEE-radarbandstermerna S , C , X , Ku , K eller K a - band eller liknande NATO- eller EU-beteckningar .
Prefixet mikro- i frasen mikrovågsstrålning är inte avsett att bestämma våglängden i mikrometerområdet . Det tyder snarare på att mikrovågor är "små" (med kortare våglängder) jämfört med radiovågor , som användes innan mikrovågstekniken spreds. Gränserna mellan fjärrinfraröd, terahertzstrålning , mikrovågor och decimeterradiovågor är ganska godtyckliga och används på olika sätt inom olika vetenskaps- och teknikområden.
Mikrovågor sprider sig inom synfältet; till skillnad från lågfrekventa radiovågor, diffrakterar de inte runt kullar, följer jordens yta som ytvågor och reflekterar inte från jonosfären , så markbundna mikrovågslänkar är begränsade till den visuella horisonten till cirka 64 km. I den övre änden av intervallet absorberas de av gaser i atmosfären, vilket begränsar det praktiska kommunikationsavståndet till cirka en kilometer. Mikrovågor används i stor utsträckning inom modern teknik, till exempel punkt-till-punkt- länkar , trådlösa nätverk , mikrovågsradiorelänätverk , radar , satellit- och rymdkommunikation , medicinsk diatermi och cancerbehandling, jordfjärranalys , radioastronomi , partikelacceleratorer , spektroskopi , industriell uppvärmning, system för undvikande av kollisioner , garageportöppnare och nyckellösa instegssystem och matlagning i mikrovågsugn .
Mikrovågsstrålning med hög intensitet används för beröringsfri uppvärmning av kroppar (i hushållsmikrovågsugnar - för uppvärmning av produkter, i industriella - för värmebehandling av metaller, vid kirurgi - för radiofrekvent ablation av vener [6] ; huvudelementet här är magnetronen ), såväl som för radar .
Mikrovågor upptar ett område i det elektromagnetiska spektrumet med en frekvens över konventionella radiovågor och under infrarött ljus:
| elektromagnetiskt spektrum | ||||
|---|---|---|---|---|
| namn | Våglängd | Frekvens Hz) | Fotonenergi ( eV ) _ | |
| gammastråle | <0,02 nm | > 15 E Hz | > 62,1 keV | |
| röntgen | 0,01 nm - 10 nm | 30 Hz - 30 P Hz | 124 keV - 124 eV | |
| UV | 10 nm - 400 nm | 30 PHZ - 750 THz | 124 eV - 3 eV | |
| synligt ljus | 390 nm - 750 nm | 770 THz - 400 THz | 3,2 eV - 1,7 eV | |
| Infraröd | 750 nm - 1 mm | 400 THz - 300 GHz | 1,7 eV - 1,24 meV | |
| Mikrovågsugn | 1 mm - 1 m | 300 GHz - 300 MHz | 1,24 meV - 1,24 mikrokeV | |
| Radio | 1 m - 100 km | 300 MHz - 3 kHz | 1,24 µeV - 12,4 feV | |
I beskrivningar av det elektromagnetiska spektrumet klassificerar vissa källor mikrovågor som radiovågor, en delmängd av radiovågsbandet; medan andra klassificerar mikrovågor och radiovågor som separata typer av strålning. Detta är en vanlig distinktion.
Mikrovågsunderband i olika notationssystem är olika; som används i satellitkommunikation visas i tabellen.
| Frekvensband | ||
| namn | Frekvensområde , G Hz | |
|---|---|---|
| Områdesnamn | Radars frekvensområde | Frekvensområde i satellitkommunikation |
| L | 1,0–2,0 | |
| S | 2,0–4,0 | |
| C | 4,0–8,0 | 3,4–8,0 |
| X | 8,0–12,0 | 7,0–10,7 |
| Ku | 12.0–18.0 | 10.7—18.0 |
| K | 18.0—26.5 | 18,3-20,2; 27.5—31.5 |
| Ka | 26,5—40,0 | |
Mikrovågor sprider sig endast i synfält; till skillnad från lågfrekventa radiovågor, fortplantar de sig inte som ytvågor som följer jordens kontur och reflekteras inte från jonosfären (himmelvågor) [7] . Även om de i den nedre delen av intervallet kan passera genom väggarna i en byggnad samtidigt som de bibehåller tillräcklig signalstyrka för mottagning, kräver de vanligtvis ledigt utrymme för det närliggande mottagningsfältet. Följaktligen begränsas mikrovågskommunikationskanaler på jordens yta av en visuell horisont på cirka 48-64 km. Mikrovågor absorberas av fukt i atmosfären och dämpningen ökar med frekvensen, och blir en betydande faktor ( regn bleknar ) i den övre delen av intervallet. Från cirka 40 GHz börjar även atmosfäriska gaser absorbera mikrovågor, så över denna frekvens är mikrovågsöverföringen begränsad till några kilometer. Bandets spektrala struktur orsakar absorptionstoppar vid vissa frekvenser (se grafen till höger). Vid frekvenser över 100 GHz är absorptionen av elektromagnetisk strålning av jordens atmosfär så stor att den är effektivt ogenomskinlig , tills atmosfären åter blir transparent i det så kallade infraröda och optiska fönsterfrekvensområdet .
I en mikrovågsstråle riktad i en vinkel mot himlen kommer en liten mängd energi att spridas slumpmässigt när strålen passerar genom troposfären [7] . En känslig mottagare bortom horisonten med en högförstärkningsantenn fokuserad på denna region av troposfären kan ta upp signalen. Denna teknik har använts vid frekvenser mellan 0,45 och 5 GHz i troposcatter -kommunikationssystem (troposcatter) för kommunikation över horisonten på avstånd upp till 300 km.
De korta våglängderna av mikrovågsstrålning gör att rundstrålande antenner för bärbara enheter kan göras mycket små, mellan 1 och 20 cm långa, så mikrovågsfrekvenser används i stor utsträckning för trådlösa enheter , såsom mobiltelefoner , trådlösa telefoner och tillgång till trådlöst lokalt område nätverk (Wi-Fi) för bärbara datorer och Bluetooth - hörlurar . Antenner som används inkluderar korta piskaantenner , gummiandantenner , Hertz-antenner , patchantenner och i allt högre grad de inverterade F-antennerna (PIFA) som används i mobiltelefoner.
Deras korta våglängd gör det också möjligt att skapa smala strålar av mikrovågsstrålning med bekväma små högförstärkningsantenner från en halv meter till 5 meter i diameter. Därför används mikrovågor för punkt-till- punkt kommunikationslänkar och för radar . Fördelen med smala riktade strålar är att de inte stör närliggande utrustning som använder samma frekvens, vilket tillåter frekvensåteranvändning av närliggande sändare. Parabolantenner (parabolantenner) är de mest använda riktningsantennerna vid mikrovågsfrekvenser, men hornantenner , spårantenner och dielektriska linsantenner används också. Platta mikrostripantenner används allt oftare i konsumenttillämpningar. En annan typ av riktad antenn som används vid mikrovågsfrekvenser är den fasade arrayantennen , som är en datorstyrd uppsättning av antenner som skapar en stråle som kan riktas på ett kontrollerat sätt i olika riktningar.
Sändningsledningar som används för att bära lågfrekventa radiovågor till och från antenner, såsom koaxialkabel och parallella ledningar, har för stora effektförluster vid mikrovågsfrekvenser, så när låg dämpning krävs, överförs mikrovågor genom metallrör som kallas vågledare. På grund av de höga kostnads- och underhållskraven för vågledarsektionerna i många mikrovågsantenner, är sändarens utgångssteg eller mottagarens RF-ingång placerad på antennen.
Termen mikrovågor har också en mer teknisk betydelse inom elektromagnetism och kretsteori [8] [9] . Apparater och metoder kan kvalitativt beskrivas som "mikrovåg" när signalernas våglängder är ungefär desamma som dimensionerna på kretsen, så att kretsteori för lumped-element inte är tillämplig, utan istället distribuerade elementmodeller och transmissionsledningsteori är mer användbar för design och analys. .
Som en konsekvens rör sig praktiska mikrovågskretsar vanligtvis bort från diskreta motstånd , kondensatorer och induktorer , som används med lågfrekventa radiovågor . Öppna och koaxiala transmissionsledningar som används vid lägre frekvenser ersätts av vågledare och striplines, och kretsar med klumpade element ersätts av kavitetsresonatorer eller resonansstubbar [8] . I sin tur, vid ännu högre frekvenser, när våglängden för elektromagnetiska vågor blir liten jämfört med storleken på strukturerna som används för att bearbeta dem, blir mikrovågsmetoder otillräckliga och optiska metoder används .
Högeffektmikrovågskällor använder speciella vakuumrör för att generera mikrovågor. Dessa enheter fungerar enligt principer som skiljer sig från lågfrekventa vakuumrör, och använder den ballistiska rörelsen av elektroner i ett vakuum under kontroll av elektriska eller magnetiska fält, och inkluderar magnetronen (används i mikrovågsugnar ), klystronen , resandevågsröret (TWT) och gyrotronen . Dessa enheter fungerar i densitetsmoduleringsläge , inte strömmoduleringsläge . Det betyder att de arbetar på basis av elektronknippen som flyger genom dem ballistiskt (utan kollisioner), snarare än att använda en kontinuerlig ström av elektroner.
Lågeffektmikrovågskällor använder solid state-enheter som FET (åtminstone vid lägre frekvenser), tunneldioder , Gunn -dioder och lavintransitdioder [10] . Lågströmkällor finns tillgängliga i bänk-, rackmonterad, plug-in- och kortnivåformat. En maser är en solid state-enhet som förstärker mikrovågor med principer som liknar de för en laser , som förstärker högre frekvens ljusvågor.
Alla varma föremål sänder ut lågintensiv svart kroppsmikrovågstrålning beroende på deras temperatur , så inom meteorologi och fjärranalys används mikrovågsradiometrar för att mäta temperaturen på föremål eller terräng [11] . Solen [12] och andra astronomiska radiokällor som Cassiopeia A sänder ut mikrovågsstrålning som bär information om deras sammansättning, som studeras av radioastronomer som använder mottagare som kallas radioteleskop . Den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen (CMBR), till exempel, är det svaga mikrovågsljudet som fyller det tomma utrymmet, vilket är den huvudsakliga informationskällan för Big Bang kosmologiska teorin om universums ursprung .
Mikrovågsteknik används ofta för punkt-till-punkt- kommunikation (dvs inte sändning). Mikrovågor är särskilt lämpade för denna användning eftersom de lättare fokuseras till smalare strålar än radiovågor, vilket möjliggör återanvändning av frekvenser ; deras jämförelsevis högre frekvenser tillåter bred bandbredd och höga datahastigheter , och antennstorlekarna är mindre än vid lägre frekvenser eftersom antennens storlek är omvänt proportionell mot den sända frekvensen. Mikrovågor används för kommunikation på rymdfarkoster, och de flesta av världens data-, tv- och telefonkommunikationer sänds över långa avstånd av mikrovågor mellan markstationer och kommunikationssatelliter . Mikrovågor används även i mikrovågsugnar och i radarteknik .
Före tillkomsten av fiberoptisk överföring gjordes de flesta långdistanstelefonsamtal över mikrovågsradiorelänätverk som drivs av operatörer som AT&T Long Lines. Från början av 1950-talet användes frekvensdelningsmultiplexering för att sända upp till 5 400 telefonkanaler på varje mikrovågsradiokanal, med upp till tio radiokanaler kombinerade till en enda antenn för att nå nästa nod upp till 70 km bort.
Trådlösa LAN - protokoll som Bluetooth och 802.11 - specifikationerna som används för Wi-Fi använder också mikrovågor i 2,4 GHz ISM-bandet, även om 802.11a använder ISM-bandet och U-NII-frekvenser i 5 GHz-bandet. Licensierad räckvidd (upp till cirka 25 km) för trådlösa Internetaccesstjänster har använts i nästan tio år i många länder vid 3,5-4,0 GHz. FCC har allokerat frekvenser för operatörer som vill erbjuda service på detta band i USA med fokus på 3,65 GHz. Dussintals tjänsteleverantörer över hela landet är eller har blivit licensierade av FCC för att driva detta band. De föreslagna WIMAX-tjänsterna, som kan implementeras på 3,65 GHz, kommer att ge företagskunder ytterligare ett anslutningsalternativ.
Metropolitan Area Network (MAN)-protokoll, som WiMAX , är baserade på standarder som IEEE 802.16 , utformade för att fungera från 2 till 11 GHz. Kommersiella implementeringar finns i 2,3 GHz-, 2,5 GHz-, 3,5 GHz- och 5,8 GHz-banden.
MBWA-protokoll (Mobile Broadband Wireless Access) baserade på standardspecifikationer som IEEE 802.20 eller ATIS/ANSI HC-SDMA (t.ex. iBurst ) fungerar i 1,6 till 2,3 GHz-bandet för att ge mobilitets- och penetrationsegenskaper till byggnader, liknande mobiltelefoner, men med mycket större spektral effektivitet [13] .
Vissa mobilnät , som GSM , använder låga VHF/höga UHF-frekvenser runt 1,8 och 1,9 GHz i USA respektive andra länder. DVB-SH och S-DMB använder bandet 1,452 till 1,492 GHz medan USA använder proprietär eller icke-kompatibel satellitradio runt 2,3 GHz för DARS .
Mikrovågsradio används i sändningar och telekommunikation , eftersom, på grund av sin korta våglängd, mycket riktade antenner är mindre och därför mer praktiska än de skulle vara vid längre våglängder (lägre frekvenser). Dessutom finns en bredare bandbredd tillgänglig i mikrovågsspektrumet än i resten av radiospektrumet; användbar bandbredd under 300 MHz är mindre än 300 MHz, medan många GHz kan använda mer än 300 MHz bandbredd. Mikrovågor används ofta i tv-nyheter för att överföra en signal från en avlägsen plats till en tv-station från en specialutrustad skåpbil.
De flesta satellitkommunikationssystem arbetar i C-, X-, Ka- eller Ku - banden i mikrovågsspektrat. Dessa frekvenser ger en bred bandbredd samtidigt som de undviker trånga UHF-frekvenser och håller sig under EHF-frekvenser där atmosfärisk absorption är stark. Satellit-tv fungerar antingen i C-bandet för den traditionella fasta satellittjänsten med stor parabol eller i K u- bandet för direktsändning från satellit . Militär kommunikation är i första hand X- eller Ku- länkar , med K-bandet som används för Milstar .
Global Navigation Satellite Systems (GNSS), inklusive Kinas Beidou , det amerikanska Global Positioning System (introducerat 1978) och det ryska GLONASS-systemet , sänder navigationssignaler i olika band mellan cirka 1,2 GHz och 1,6 GHz.
Radar är en radarenhet som använder en stråle av radiovågor som sänds ut av en sändare och mäter signalen som reflekteras från ett objekt, vilket gör att du kan bestämma objektets plats, räckvidd, hastighet och andra egenskaper. Mikrovågornas korta våglängd orsakar starka reflektioner från föremål som är stora som bilar, fartyg och flygplan. Vid dessa våglängder är antenner med hög förstärkning, såsom parabolantenner , som krävs för att erhålla den smala strålen som krävs för exakt positionering av objekt, små i storlek, vilket gör att de snabbt kan roteras för att skanna objekt. Därför är mikrovågsfrekvenser de huvudsakliga frekvenserna som används i radar. Mikrovågsradar används ofta i applikationer som flygledning , väderprognoser, fartygsnavigering och upprätthållande av hastighetsgränser. Radar med lång räckvidd använder lägre mikrovågsfrekvenser eftersom atmosfärisk absorption i den övre delen av intervallet begränsar räckvidden, men millimetervågor används för radar med kort räckvidd, såsom system för undvikande av kollisioner .
Mikrovågor som sänds ut av astronomiska radiokällor ; såsom planeter, stjärnor, galaxer och nebulosor studeras inom radioastronomi med hjälp av stora parabolantenner som kallas radioteleskop . Förutom att ta emot naturlig mikrovågsstrålning användes radioteleskop i aktiva radarexperiment, för experiment med reflektion av mikrovågor från solsystemets planeter, där avstånden till månen bestämdes eller den osynliga ytan på Venus kartlades genom molnet omslag.
Det nyligen färdigställda mikrovågsradioteleskopet, Atacama Large Millimeter Array, som ligger på en höjd av mer än 5 000 meter i Chile, utforskar universum i millimeter- och submillimetervåglängder . Idag är det världens största projekt inom området markbaserad astronomi. Den består av över 66 cymbaler och byggdes med internationellt samarbete från Europa, Nordamerika, Östasien och Chile [14] [15] .
Huvudfokus för mikrovågsradioastronomi på senare tid har varit kartläggningen av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen (CMBR), upptäckt 1964 av radioastronomerna Arno Penzias och Robert Wilson . Denna svaga bakgrundsstrålning, som fyller universum och är nästan densamma i alla riktningar, är den "kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen" som blivit över från Big Bang och är en av få informationskällor om förhållandena i det tidiga universum. På grund av universums expansion och därmed avkylning har den ursprungliga högenergistrålningen skiftat in i radiospektrats mikrovågsregion. Tillräckligt känsliga radioteleskop kan upptäcka CMB som en svag signal som inte är associerad med någon stjärna, galax eller något annat objekt [16] .
En mikrovågsugn sänder mikrovågsstrålning med en frekvens på cirka 2,45 GHz genom mat, vilket orsakar dielektrisk uppvärmning främst på grund av absorptionen av energi av vattenmolekyler. Mikrovågsugnar blev vanlig köksutrustning i västerländska länder i slutet av 1970-talet, efter utvecklingen av billigare resonatormagnetroner . Flytande vatten har många molekylära interaktioner som vidgar absorptionstoppen. I ångfasen absorberar isolerade vattenmolekyler strålning runt 22 GHz, vilket är nästan tio gånger frekvensen för en mikrovågsugn.
Mikrovågsstrålning används i industriella processer för torkning och härdning av produkter.
Många halvledarbearbetningstekniker använder mikrovågor för att generera plasma för tillämpningar som reaktiv jonetsning och kemisk ångdeposition (PECVD).
Mikrovågor används i stellaratorer och experimentella tokamakfusionsreaktorer för att omvandla gas till plasma och värma upp den till mycket höga temperaturer. Frekvensen är avstämd till cyklotronresonansen hos elektroner i ett magnetfält, någonstans mellan 2-200 GHz, varför det ofta benämns elektroncyklotronresonansuppvärmning (ECHR). ITER- fusionsreaktorn som är under uppbyggnad [17] kommer att använda 170 GHz-sändare med en effekt på upp till 20 MW.
Mikrovågor kan användas för att överföra kraft över långa avstånd, och forskning gjordes efter andra världskriget för att utforska denna möjlighet. På 1970-talet och början av 1980-talet arbetade NASA med att undersöka möjligheterna att använda soldrivna satellitsystem (SPS) med stora solpaneler , som skulle överföra energi till jordens yta med hjälp av mikrovågor.
Det finns ett mindre dödligt vapen som använder millimetervågor för att värma upp ett tunt lager av mänsklig hud till en outhärdlig temperatur för att tvinga personen att lämna. En två sekunder lång skur av en fokuserad stråle vid en frekvens på 95 GHz värmer huden till en temperatur på 54 ° C på ett djup av 0,4 mm. Det amerikanska flygvapnet och marinkåren använder för närvarande denna typ av aktivt avvisningssystem i fasta installationer [18] .
Mikrovågsstrålning används i elektronparamagnetisk resonans (EPR eller EPR) spektroskopi, vanligtvis i X-bandsregionen (cirka 9 GHz) i kombination med magnetfält på 0,3 T. Denna metod ger information om oparade elektroner i kemiska föreningar som fria radikaler eller övergångsmetalljoner som Cu(II). Mikrovågsstrålning används också för rotationsspektroskopi och kan kombineras med elektrokemi för mikrovågsförstärkt elektrokemi.
Frekvensbanden i mikrovågsspektrumet anges med bokstäver. Det finns dock flera inkompatibla bandbeteckningssystem, och även inom systemet skiljer sig frekvensbanden som motsvarar vissa bokstäver något mellan olika applikationer [19] [20] . Bokstavssystemet har sitt ursprung under andra världskriget i en topphemlig amerikansk klassificering av band som används i radarinstallationer; detta är källan till det äldsta bokstavssystemet, IEEE-radarbanden. En uppsättning mikrovågsband som utsetts av Radio Society of Great Britain (RSGB) visas i tabellen nedan:
| Beteckning | frekvensomfång | Våglängdsområde | Typisk användning |
|---|---|---|---|
| L-grupp | 1-2 GHz | 15-30 cm | Militär telemetri, GPS, mobiltelefoner (GSM), amatörradio |
| Grupp S | 2-4 GHz | 7,5-15 cm | Väderradar, ytfartygsradar, vissa kommunikationssatelliter, mikrovågsugnar, mikrovågsenheter/kommunikation, radioastronomi, mobiltelefoner, trådlöst LAN, Bluetooth, ZigBee, GPS, amatörradio |
| Grupp C | 4-8 GHz | 3,75-7,5 cm | Långdistansradio |
| Grupp X | 8-12 GHz | 25-37,5 mm | Satellitkommunikation, radar, markbundet bredband, rymdkommunikation, amatörradio, molekylär rotationsspektroskopi |
| Grupp K U | 12-18 GHz | 16,7-25 mm | Satellitkommunikation, molekylär rotationsspektroskopi |
| Grupp K | 18-26,5 GHz | 11,3-16,7 mm | Radar, satellitkommunikation, astronomiska observationer, bilradar, molekylär rotationsspektroskopi |
| Grupp K | 26,5-40 GHz | 5,0 - 11,3 mm | Satellitkommunikation, molekylär rotationsspektroskopi |
| Q-intervall | 33-50 GHz | 6,0-9,0 mm | Satellitkommunikation, markbunden mikrovågskommunikation, radioastronomi, bilradar, molekylär rotationsspektroskopi |
| Grupp U | 40-60 GHz | 5,0-7,5 mm | |
| Grupp V | 50-75 GHz | 4,0-6,0 mm | Radarforskning i millimeterområdet, rotationsspektroskopi av molekyler och andra typer av vetenskaplig forskning |
| Grupp W | 75-110 GHz | 2,7-4,0 mm | Satellitkommunikation, millimetervågsradarforskning, militära radarstyrning och spårningssystem och vissa icke-militära tillämpningar, bilradar |
| Grupp F | 90-140 GHz | 2,1-3,3 mm | Mikrovågssändningar: radioastronomi, mikrovågsenheter/kommunikation, trådlöst LAN, toppmoderna radarer, kommunikationssatelliter, satellit-tv-sändningar, DBS , amatörradio. |
| Grupp D | 110-170 GHz | 1,8-2,7 mm | EHF-sändningar: radioastronomi, högfrekvent mikrovågsradiorelä, mikrovågsfjärranalys, amatörradio, riktade energivapen, millimetervågskanner. |
Det finns andra definitioner [21] .
För UHF-frekvenser under L-bandet används ibland termen P-band, men är nu föråldrad enligt IEEE Std 521.
När K-bandsradar först utvecklades under andra världskriget var det inte känt att det fanns ett intilliggande absorptionsband (på grund av vattenånga och syre i atmosfären). För att undvika detta problem delades det ursprungliga K-bandet upp i lägre K u- och övre Ka - band [22] .
Mikrovågsfrekvens kan mätas elektroniskt eller mekaniskt.
Du kan använda frekvensräknare eller högfrekventa lokala oscillatorer . Här jämförs den okända frekvensen med övertoner av en känd lägre frekvens med hjälp av en lågfrekvent oscillator, en övertonsgenerator och en mixer. Mätnoggrannheten begränsas av referenskällans noggrannhet och stabilitet.
Mekaniska metoder kräver en avstämd resonator, såsom en vågabsorptionsmätare , där förhållandet mellan fysisk storlek och frekvens är känt.
I laboratoriet kan Lecher-linjer användas för att direkt mäta våglängden på en parallell trådöverföringsledning, varefter frekvensen kan bestämmas. En liknande metod är att använda en slitsad vågledare eller slitsad koaxiallinje för att direkt mäta våglängden. Dessa anordningar består av en sond som förs in i linjen genom en längsgående slits så att sonden kan röra sig fritt upp och ner i linjen. Slitsade ledningar är främst avsedda för att mäta stående vågförhållande från nätspänningen . Men i närvaro av en stående våg kan de också användas för att mäta avståndet mellan noderna , vilket är lika med halva våglängden. Noggrannheten hos denna metod begränsas av nodernas placering.
Mikrovågor är icke- joniserande strålning, vilket innebär att mikrovågsfotoner inte innehåller tillräckligt med energi för att jonisera molekyler eller bryta kemiska bindningar eller skada DNA, till skillnad från joniserande strålning som röntgenstrålning eller ultraviolett strålning [23] . Ordet "strålning" syftar på energin som kommer från en källa, inte radioaktivitet . Huvudeffekten av mikrovågsabsorption är uppvärmningen av material; elektromagnetiska fält får polära molekyler att vibrera eller rotera. Mikrovågor (eller annan icke-joniserande elektromagnetisk strålning) är inte kända för att ha betydande negativa biologiska effekter vid låga intensiteter. Vissa, men inte alla, studier visar att långtidsexponering kan ha en cancerframkallande effekt [24] .
Under andra världskriget märktes det att människor i vägen för strålning från radaranläggningar hörde klick och surrande ljud som ett resultat av exponering för mikrovågsstrålning. NASA- forskning på 1970-talet visade att det orsakades av termisk expansion av delar av innerörat. 1955 kunde Dr James Lovelock återuppliva råttor kylda till 0-1°C med hjälp av mikrovågsdiatermi [25] .
När skada uppstår från exponering för mikrovågor, uppstår det vanligtvis som ett resultat av dielektrisk uppvärmning av kroppen. Exponering för mikrovågsstrålning kan orsaka grå starr genom denna mekanism [26] eftersom mikrovågsuppvärmning denaturerar proteinerna i ögats lins (ungefär som värme gör en äggvita ogenomskinlig). Linsen och hornhinnan i ögat är särskilt sårbara eftersom de saknar blodkärl som kan transportera bort värme. Exponering för höga doser av mikrovågsstrålning (till exempel från en ugn som har manipulerats för att tillåta drift även med dörren öppen) kan också orsaka värmeskador på andra vävnader, upp till allvarliga brännskador , som kanske inte är uppenbara omedelbart på grund av till mikrovågornas tendens att värma djupare vävnader, tyger med högre fukthalt.
Eleanor R. Adair genomförde en studie av hennes hälsa, djur och andra människor som utsatts för mikrovågor, från vilka de kände sig varma eller till och med började svettas och känna sig ganska obekväma. Hon fann inga negativa hälsoeffekter förutom värme.
Mikrovågor skapades först på 1890-talet i några av de tidigaste radioexperimenten av fysiker som ansåg dem vara en form av "osynligt ljus" [27] . James Clerk Maxwell , i sin teori om elektromagnetism från 1873 , som är baserad på Maxwells ekvationer , förutspådde att alternerande elektriska och magnetiska fält kunde färdas genom rymden som elektromagnetiska vågor , och föreslog att ljus var sammansatt av kortvågiga elektromagnetiska vågor. År 1888 var den tyske fysikern Heinrich Hertz den förste som demonstrerade förekomsten av radiovågor med hjälp av en primitiv radiosändare med ett gnistgap [28] . Hertz och andra tidiga radioforskare var intresserade av att studera likheterna mellan radiovågor och ljusvågor för att testa Maxwells teori. De koncentrerade sig på att skapa kortvågsradiovågor i UHF- och mikrovågsbanden, med vilka de kunde duplicera klassiska optiska experiment i sina laboratorier, med hjälp av kvasi -optiska komponenter som paraffin , svavel och beckprismor och linser , och trådgitter för att bryta och spridas. radiovågen., som ljusstrålar [29] . Hertz skapade vågor upp till 450 MHz; dess 450 MHz riktade sändare bestod av en 26 cm mässingsstavdipolantenn med ett gnistgap mellan ändarna, upphängd från fokallinjen på en parabolantenn , gjord av böjd zinkplåt, matad av högspänningspulser från en induktionsspole . Hans historiska experiment visade att radiovågor, som ljus, uppvisar brytning , diffraktion , polarisation , interferens och stående vågor , vilket bevisar sambandet mellan radiovågor och ljusvågor, som är Maxwells former av elektromagnetiska vågor .
Heinrich Hertz 450 MHz gnistsändare , 1888, bestod av en 23 cm dipol och ett gnistgap i fokus för en parabolisk reflektor.
Jagadish Chandra Bose 1894 var den första personen som skapade millimetervågor; hans gnistgenerator (i rutan till höger) genererade 60 GHz (5 mm) vågor med hjälp av en 3 mm diameter metallkulresonator.
Ett mikrovågsspektroskopiexperiment av John Ambrose Fleming 1897 visade brytning av 1,4 GHz mikrovågor på ett paraffinprisma, vilket duplicerade tidigare experiment av Bose och Righe.
Augusto Righi 12 GHz gnistgenerator och mottagare, 1895
Med början 1894 genomförde den indiske fysikern Jagdish Chandra Bose de första experimenten med mikrovågor. Han var den första personen som skapade millimetervågor och genererade frekvenser upp till 60 GHz (5 millimeter) med hjälp av en gnistgenerator med en 3 mm metallkula [30] [29] . Bose uppfann också vågledaren , hornantennerna och halvledarkristalldetektorerna för användning i sina experiment. Oberoende 1894 experimenterade Oliver Lodge och Augusto Righi med 1,5 respektive 12 GHz mikrovågor, genererade av små gnistresonatorer av metallkulor. Den ryske fysikern Pyotr Lebedev skapade 50 GHz millimetervågor 1895. 1897 löste Lord Rayleigh det matematiska gränsproblemet med elektromagnetiska vågor som fortplantar sig genom ledande rör och dielektriska stavar med godtycklig form [31] [32] [33] [34] , där han angav gränslägena och frekvensen för mikrovågor som utbreder sig genom en vågledare [28] .
Men eftersom mikrovågsutbredning är begränsad till siktlinje, kunde de inte användas bortom den synliga horisonten, och den låga effekten hos gnistsändarna som då användes begränsade deras praktiska räckvidd till några mil. Den efterföljande utvecklingen av radiokommunikation efter 1896 använde lägre frekvenser, som kunde fortplanta sig bortom horisonten som ytvågor och reflektera från jonosfären som himmelvågor, mikrovågsfrekvenser studerades inte mer i detalj vid den tiden.
Den praktiska tillämpningen av mikrovågsfrekvenser skedde inte förrän på 1940- och 1950-talen på grund av bristen på lämpliga källor, eftersom triodvakuumrörets elektroniska oscillator som användes i radiosändare inte kunde generera frekvenser över några hundra megahertz på grund av för lång tid passage av elektroner och interelektrodkapacitans [28] . På 1930-talet utvecklades de första mikrovågsvakuumrören med låg effekt, som fungerade enligt nya principer; Barkhausen-Kurtz rör och magnetron med löstagbar anod . De kunde generera flera watt effekt vid frekvenser upp till flera gigahertz och användes i tidiga mikrovågskommunikationsexperiment.
Antenner från 1931 för experiment på radioreläkommunikation över Engelska kanalen vid en frekvens på 1,7 GHz.
En experimentell 700 MHz-sändare vid Westinghouse Laboratories 1932 sänder röst över en sträcka på över en mil.
Southworth demonstrerar en vågledare vid ett möte med Institute of Radio Engineers 1938, och visar 1,5 GHz-vågor som passerar genom en 7,5 m lång flexibel metallslang som detekteras av en dioddetektor.
Första moderna hornantenn 1938 av uppfinnaren Wilmer L. Barrow
1931 demonstrerade ett anglo-franskt konsortium under ledning av André Clavier den första experimentella mikrovågsrelälänken över Engelska kanalen i 64 km mellan Dover och Calais [35] [36] . Systemet överförde telefon-, telegraf- och faxdata över en dubbelriktad 1,7 GHz-kanal med en effekt på cirka en halv watt, skapad av miniatyr Barkhausen-Kurtz-rör i fokus för en 3-meters metallskål.
Ett ord måste uppfinnas för att särskilja dessa nya kortare våglängder, som tidigare hade grupperats under " kortvågsområdet ", vilket innebar alla vågor kortare än 200 m. Termerna kvasioptiska vågor och ultrakorta vågor användes under en tidsperiod , men blev inte utbredd. Den första användningen av ordet mikrovågsugn verkar ha inträffat 1931 [37] .
Utvecklingen av radar , mestadels hemlig, före och under andra världskriget , ledde till tekniska framsteg som gjorde mikrovågor praktiska [28] . Våglängder i centimeterområdet var nödvändiga för att små radarantenner, som var tillräckligt kompakta för att passa på flygplan, hade en tillräckligt smal strålbredd för att lokalisera fiendens flygplan. Konventionella transmissionslinjer , som används för att överföra radiovågor, visade sig ha överdrivna effektförluster vid mikrovågsfrekvenser, och George Southworth från Bell Labs och Wilmer Barrow från MIT uppfann vågledaren oberoende av varandra 1936 [31] . Barrow uppfann hornantennen 1938 som ett sätt att effektivt stråla mikrovågor in i eller ut ur en vågledare. En mikrovågsmottagare behövde en icke-linjär komponent för att fungera som detektor och mixer vid dessa frekvenser eftersom vakuumrören hade för mycket kapacitans. För att möta detta krav har forskare återupplivat en föråldrad teknologi, punktkristalldetektorn (cat's whisker- detektor ), som användes som demodulator i kristallradiomottagare vid sekelskiftet före tubmottagarnas tillkomst [38] . Den låga kapacitansen hos halvledarövergångar gjorde att de kunde arbeta vid ultrahöga frekvenser. De första moderna kisel- och germaniumdioderna utvecklades som mikrovågsdetektorer på 1930-talet, och de principer för halvledarfysik som upptäcktes under halvledarutvecklingen ledde till halvledarelektronik efter kriget.
Prototyp resonatormagnetronrör av Randall och Booth vid University of Birmingham , 1940. Vid användning installerades röret mellan polerna på en elektromagnet.
General Electrics första kommersiella klystron-rör, 1940, skuret för att visa intern konstruktion
AN/ APS-4 är en 10 GHz luftburen avlyssningsradar som användes av amerikanska och brittiska flygplan under andra världskriget.
US Army Mobile Microwave Relay Station, 1945, demonstrerar reläsystem som använder frekvenser från 01 till 4,9 GHz, som kan bära upp till 8 telefonsamtal på strålen.
De första kraftfulla källorna till mikrovågsstrålning uppfanns i början av andra världskriget: klystronen av Russell och Sigurd Varian från Stanford University 1937, och magnetronen av John Randall och Harry Booth från University of Birmingham, Storbritannien 1940 [28 ] . Tio centimeter (3 GHz) mikrovågsradar användes på brittiska militärflygplan i slutet av 1941 och visade sig vara en spelväxlare. Storbritanniens beslut 1940 att dela sin mikrovågsteknik med sin amerikanska allierade ( Tizard Mission ) förkortade kriget avsevärt. MIT Radiation Laboratory , som i hemlighet inrättades vid MIT 1940 för att forska i radar, gav mycket av den teoretiska kunskap som behövdes för att använda mikrovågor. De första mikrovågsreläsystemen utvecklades av de allierade styrkorna mot slutet av kriget och användes för säkra kommunikationsnätverk på slagfältet i den europeiska operationsscenen.
Efter andra världskriget användes mikrovågor i stor utsträckning för kommersiella ändamål [28] . På grund av sin höga frekvens har sändare baserade på dem en mycket stor bandbredd ( bandbredd ) av information; en mikrovågsstråle kan sända tiotusentals telefonsamtal. På 1950- och 1960-talen byggdes transkontinentala mikrovågsrelänätverk i USA och Europa för att utbyta telefonsamtal mellan städer och distribuera tv-program. I den nya TV-sändningsindustrin , med början på 1940-talet, användes mikrovågsrätter för att överföra transportkanaler för videokanaler från mobila TV-stationer tillbaka till studion, vilket gjorde att fjärr-TV-sändningar kunde sändas. De första kommunikationssatelliterna lanserades på 1960-talet, som vidarebefordrade telefonsamtal och tv mellan avlägsna punkter på jorden med hjälp av mikrovågsstrålar. 1964 upptäckte Arno Penzias och Robert Woodrow Wilson , medan de undersökte brus i en satellithornsantenn vid Bell Labs , Holmdel, New Jersey, kosmisk bakgrundsstrålning från mikrovågor .
Mikrovågsradar blev en central teknologi som användes inom flygtrafikledning , sjöfartsnavigering , luftförsvar , upptäckt av ballistiska missiler och senare inom många andra områden. Radar- och satellitkommunikation har stimulerat utvecklingen av moderna mikrovågsantenner; parabolantenn (den vanligaste typen), Cassegrain-antenn , linsantenn , slotantenn och phased array-antenn .
Kortvågornas förmåga att snabbt värma material och laga mat studerades på 1930-talet av I.F. Muromtsev på Westinghouse, och på världsutställningen i Chicago 1933 demonstrerade han matlagning med en 60 MHz radiosändare [39] . 1945 märkte Percy Spencer , en ingenjör som arbetade på radar vid Raytheon , att mikrovågsstrålningen från en magnetrongenerator hade smält en godiskaka i hans ficka. Han forskade på matlagning med mikrovågor och uppfann mikrovågsugnen , bestående av en magnetron som sänder ut mikrovågor in i ett slutet metallhålrum som innehåller mat, som patenterades av Raytheon den 8 oktober 1945. På grund av deras kostnader användes mikrovågsugnar ursprungligen i institutionskök, men 1986 hade cirka 25 % av hushållen i USA en sådan. Mikrovågsuppvärmning har blivit allmänt använd som en industriell process i industrier som plastindustrin, och som ett terapeutiskt medel för att döda cancerceller vid mikrovågshypertermi .
Det resande vågröret (TWT), utvecklat 1943 av Rudolf Kompfner och John Pearce , gav en kraftfull, avstämbar källa för mikrovågor upp till 50 GHz, och blev det mest använda mikrovågsröret förutom magnetronen som var allmänt förekommande i mikrovågsugnar. En familj av gyrotronrör som utvecklats i Sovjetunionen kan generera megawatt-effektmikrovågor upp till millimetervågsfrekvenser och används i industriell uppvärmning och plasmaforskning , och för att driva partikelacceleratorer och kärnfusionsreaktorer .
Utvecklingen inom halvledarelektronik på 1950-talet ledde till de första solid-state mikrovågsapparaterna som fungerade enligt den nya principen; negativt differentiellt motstånd (några av förkrigsmikrovågsrören använde också negativt differentiellt motstånd) [28] . Återkopplingsoscillatorn och tvåportsförstärkarna som användes vid lägre frekvenser blev instabila vid mikrovågsfrekvenser, och negativa differentialresistansbaserade oscillatorer och förstärkare baserade på enkelportsenheter som dioder presterade bättre.
Tunneldioden , som uppfanns 1957 av den japanske fysikern Leo Esaki , kunde generera flera milliwatts mikrovågseffekt. Hans uppfinning initierade sökandet efter halvledarenheter med negativt differentialmotstånd för användning som mikrovågsoscillatorer, vilket ledde till att lavindioden uppfanns 1956 av W. T. Reed och Ralph L. Johnston och Gunn-dioden 1962 av J. B. Gunn [ 28] . Dioder är de mest använda mikrovågskällorna idag. Två lågbrusiga halvledarmikrovågsförstärkare med negativt differentialresistans har utvecklats; rubinmasern , uppfann 1953 av Charles H. Townes , James P. Gordon och H. J. Zeiger, och den parametriska varaktorförstärkaren , utvecklad 1956 av Marion Hines. De har använts för lågbrusmikrovågsmottagare i radioteleskop och satellitmarkstationer . Mather ledde utvecklingen av atomklockan , som håller tiden med hjälp av den exakta mikrovågsfrekvensen som sänds ut av atomer när en elektron övergår mellan två energinivåer. Negativa differentialresistansförstärkarkretsar krävde uppfinningen av nya icke-reciproka vågledarkomponenter såsom cirkulatorer , isolatorer och riktningskopplare . År 1969 härledde Kurokawa matematiska villkor för stabiliteten hos kretsar med negativt differentialmotstånd, vilket utgjorde grunden för konstruktionen av en mikrovågsgenerator [40] .
Före 1970-talet var mikrovågsenheter och kretsar skrymmande och dyra, så mikrovågsfrekvenser var vanligtvis begränsade till sändarnas utgångssteg och RF-ingången på mottagare, och signalerna heterodynerades till en lägre mellanfrekvens för bearbetning. Mellan 1970-talet och nutiden har små, billiga aktiva solid-state mikrovågskomponenter utvecklats som kan monteras på kretskort, vilket gör att kretsar kan utföra betydande signalbehandling vid mikrovågsfrekvenser. Detta har möjliggjort satellit-tv , kabel-tv , GPS-enheter och moderna trådlösa enheter som smartphones , Wi-Fi och Bluetooth , som ansluter till nätverk med mikrovågor.
Microstrip transmissionslinje , som användes vid mikrovågsfrekvenser, uppfanns med hjälp av tryckta kretsar på 1950 -talet [28] . Möjligheten att producera ett brett utbud av PCB- former billigt har gjort det möjligt för mikrostrip-versioner av kondensatorer , induktorer , resonansstubbar, kopplingar , riktningskopplare , diplexrar , filter och antenner att utformas, vilket möjliggör design av kompakta mikrovågskretsar.
Transistorer som arbetar vid mikrovågsfrekvenser utvecklades på 1970-talet. Halvledare galliumarsenid (GaAs) har en mycket högre elektronrörlighet än kisel [28] , så enheter gjorda av detta material kan arbeta vid frekvenser upp till 4 gånger högre än liknande enheter gjorda av kisel. Från och med 1970-talet användes GaAs för att tillverka de första mikrovågstransistorerna och sedan dess har det dominerat mikrovågshalvledare. MESFETs ( metall-halvledarfälteffekttransistorer ), högfrekventa GaAs - baserade FET:er som använder Schottky gate junctions har utvecklats sedan 1968 och har nått en gränsfrekvens på 100 GHz, och är för närvarande de mest använda aktiva mikrovågsenheterna. En annan familj av transistorer med en högre frekvensgräns är HEMT ( High Electron Mobility Transistor ), en FET gjord av två olika halvledare, AlGaAs och GaAs, med hjälp av heterojunction-teknologi och liknande HBT (Hetero Junction Bipolar Transistor ).
GaAs kan vara halvisolerande, vilket gör att det kan användas som ett substrat , på vilket elektroniska kretsar som innehåller passiva komponenter , såväl som transistorer, kan tillverkas med litografi [28] . År 1976 ledde detta till de första integrerade kretsarna (ICs) som fungerade vid mikrovågsfrekvenser, kallade mikrowon monolitiska integrerade kretsar (MMICs). Ordet "monolitisk" lades till för att skilja dem från kretskort med mikrostrip, som kallades "mikrovågsintegrerade kretsar" (MIC). Sedan dess har även kisel-MMICs utvecklats. Idag har MMIC blivit arbetshästarna för både analog och digital högfrekvent elektronik, vilket möjliggör tillverkning av mikrovågsmottagare med ett chip, bredbandsförstärkare , modem och mikroprocessorer .
| elektromagnetiskt spektrum | |
|---|---|
| Synligt spektrum | |
| Mikrovågsugn | |
| radiovågor | |
| Våglängder | |